发芽势反映了种子出苗速度的快慢,发芽率能够反映种子生命力的强弱[20]。本研究中黑麦草种子萌发随土壤pH值的变化特征表明,较高浓度的土壤酸胁迫(pH值4.0)对黑麦草种子的发芽势和发芽率具有明显抑制作用,而较低浓度的土壤酸胁迫(pH值4.5~6.0)对种子发芽势和发芽率具有一定的促进作用。即黑麦草种子在弱酸性土壤条件下能够正常萌发,具有一定的耐酸性,但是在强酸性土壤条件下,种子的萌发受到了显著抑制,这与魏祯祯[23]、何影[24]等的研究结果相似。酸胁迫下黑麦草种子萌发受到抑制的原因可能是低浓度的酸胁迫可改善胚的生理活性,促进种子萌发; 而高浓度酸胁迫降低种子细胞内保护酶活性,抑制种子内储藏物质分解与呼吸代谢,从而影响种子萌发所需的物质与能量,对胚根及胚芽等造成损伤[25]。
植物生长对土壤酸碱度有一定要求,酸胁迫对植物生长的影响可通过株高、根长、生物量和根冠比等形态指标直观地表现出来。在本研究中,黑麦草的株高、根长、地上生物量、地下生物量和总生物量在较高浓度土壤酸胁迫(pH值4.0)下受到明显的抑制作用。根系是植物吸收养分的主要器官,黑麦草根系的生长抑制和生物量的降低意味着该植物在较高浓度土壤酸胁迫下吸收养分的能力下降,进而对整个植株的生长造成影响。王一鸣等[19]通过对土壤酸胁迫下景天三七生长进行研究发现,植物的株高和根长随土壤酸化程度的加剧受到明显的抑制,这与本研究结果一致。而项敬银等[3]对秃瓣杜英生长的研究表明,酸胁迫显著促进了秃瓣杜英总生物量的积累。试验结果表现差异的原因可能是由于不同植物对酸胁迫敏感性的不同。生物量的大小是判定植物耐性的指标之一[26]。本研究发现,黑麦草的根长、地下生物量和根冠比在较低浓度土壤酸胁迫(pH值4.5~6.0)下无显著差异,且生长良好,说明该植物的根系对土壤酸胁迫具有较强耐性。蒙程等[2]研究了土壤酸胁迫对紫花苜蓿生长的影响,结果表明较低浓度的酸胁迫对植物的株高和地上生物量影响不显著,与本研究结果相似。
土壤酸化严重时会使叶绿素含量减少,光合作用减弱,影响植物正常生长。在本研究中,黑麦草的叶绿素总量在较高浓度土壤酸胁迫(pH值4.0)时最低,随着土壤pH值的升高而显著增加(p<0.05)。陶巧静等[27]研究发现,酸胁迫对植物叶绿素的合成表现出高浓度抑制而低浓度促进的影响,与本研究结果一致。
但也有研究表明,在植物能够正常生长的情况下,较高浓度的酸胁迫对植物叶绿素含量具有一定的促进作用[28]。胁迫对植物叶绿素的影响表现在使叶绿素的合成受阻和降解加速两方面[29]。根系活力的高低直接影响植物的生长。黑麦草的根系活力随土壤pH值升高的变化趋势与叶绿素总量的相一致。黑麦草根系活力在较低浓度土壤酸胁迫下较强,这与王一鸣等[19]对景天三七根系活力的研究结果相同。丙二醛含量的多少可反映植物体细胞膜受损情况[26]。黑麦草叶片和根系的丙二醛含量在土壤pH值4.0时最高,随着土壤pH值升高呈显著降低,在pH值5.0时达到最低。说明较高浓度的土壤酸胁迫会使植物体内产生大量丙二醛,细胞膜受损严重,影响植物正常生长。陈雪娇等[30]的研究表明,类芦丙二醛含量在土壤pH值3.5时显著增加,与本研究结果相似。酸胁迫对黑麦草叶绿素总量、根系活力、叶片和根系丙二醛含量的研究表明,该植物对土壤酸胁迫的耐性较强。
膜体系的损伤被认为是造成植物体受损害的根本机制[31]。与较低浓度的土壤酸胁迫(pH值6.0)相比,较高浓度的土壤酸胁迫(pH值4.0)对黑麦草的根细胞超微结构具有破坏作用。当土壤pH值降低至4.0时,细胞壁粗细不均,部分细胞壁发生溶解断裂,细胞壁内侧出现絮状物,细胞膜结构破坏明显,细胞基质由凝胶态向分散碎块变化,线粒体解体为絮状物难以辨别,说明高浓度的酸胁迫对黑麦草根细胞壁和线粒体结构造成损伤,这种损伤是不可逆的,可使植物根系活力和生物量下降,最终将导致植物死亡。钱莲文等[22]的研究也发现,常绿杨在高浓度铝胁迫下的根冠细胞壁、细胞基质、淀粉质体和淀粉粒明显受损,与本研究结果相似。王一鸣等[32]研究发现,景天三七在轻度(pH值5.5)和中度(pH值4.6)土壤酸化下叶绿体超微结构完整,在重度(pH值3.4)土壤酸化下叶绿体的结构受到严重破坏。
植物对Cd富集能力的大小是进行Cd污染土壤修复时筛选植物的重要指标之一,植物对Cd富集能力的大小受到土壤pH值的影响。土壤酸化严重时会影响着植物根系的生长,而根系形态结构的变化反过来会影响根系对Cd吸收,从而影响Cd在植物体内的转运和积累。本研究中,不同土壤酸胁迫下的黑麦草地上部Cd含量高于100 mg/kg(仅pH值6.0除外),根部Cd含量高达369.95 mg/kg以上,可见该植物在土壤酸胁迫下仍对Cd表现出较强的积累能力。项敬银等[3]研究表明,秃瓣杜英在酸胁迫下对Cd也具有较强的积累能力。富集系数被作为评价植物对Cd富集能力的重要指标,富集系数越高,说明植物对Cd的吸收积累能力就越强,越是有利于植物对Cd污染土壤的修复[33-34]。本研究结果显示,不同土壤酸胁迫下的黑麦草地上部和根部对Cd的富集系数都大于1,表明该植物在土壤酸胁迫下仍对Cd具有较强的富集能力。黑麦草地上部Cd含量、根部Cd含量、地上部富集系数和根部富集系数在不同土壤酸胁迫下差异显著,其在pH值4.5和pH值5.0时要显著高于pH值4.0和pH值6.0(p<0.05),说明土壤pH值在适度弱酸性条件下更有利于黑麦草对Cd的富集。黑麦草根部的Cd含量和富集系数明显高于地上部,导致转运系数小于1,这也表明该植物吸收的Cd主要富集在根部,其向植物地上部转运Cd的能力较弱,与其他研究者的结果相同[3,14,17,21,34-35]。
通过以上分析可发现,植物对酸胁迫的耐受性存在一定的范围。研究表明,景天三七能够适应土壤pH值4.2~6.2的土壤环境[19],类芦可在土壤pH值3.5~5.6条件下正常生长[30],刨花楠在土壤pH值2.5时仍然能够生长[29],可见不同植物生长对酸胁迫的耐受范围不同。通常,在强酸性土壤条件下仍能够存活的植物属于耐酸性植物。黑麦草在土壤pH值4.5~6.0时种子萌发、植物生长生理及Cd富集能力的各项指标都表现出该植物对土壤酸胁迫具有较强的耐性,在酸性土壤条件下的土壤Cd污染植物修复中具有较大利用潜力。